JP6308354B2 - フィールド機器用モジュール - Google Patents

Description

本発明は、フィールド機器に取り付けるフィールド機器用モジュールに関し、特に、バッテリを内蔵したフィールド機器用モジュールに関する。

従来、プラント等において各種測定や制御を行なうフィールド機器は、プラント等に敷設された有線のフィールド用配線に接続され、有線通信により測定信号や制御信号等の各種信号の送受信が行なわれていた。

近年では、国際計測制御学会（ＩＳＡ：International Society of Automation）で策定された無線通信規格であるＩＳＡ１００．１１ａ、あるいはワイヤレスハート（WIRELESS HART）（登録商標）に準拠した無線通信を行なうフィールド機器が実現されている。無線通信が可能なフィールド機器を用いることで、有線のフィールド用配線の敷設が物理的な要因や経済的な要因等により困難な場所への測定装置の設置を容易に行なうことができるようになる。

また、フィールド機器に取り付け可能な無線通信モジュールも開発されている。無線通信機能を有さず、有線のフィールド用配線に接続されていた従来のフィールド機器であっても、無線通信モジュールを取り付けることにより、無線通信が可能となる。

ところで、フィールド機器の動作や通信のためには電源が必要になる。従来のように有線のフィールド用配線に接続されている場合には、フィールド用配線を利用して電源の供給を受けることができたが、無線通信モジュールを用い、有線のフィールド用配線から切り離すと、フィールド用配線を利用した電源供給を受けることができなくなる。

このため、特許文献１（Ｆｉｇ．３）に記載されているように、無線通信モジュール内にバッテリを搭載し、無線通信モジュールとフィールド機器の動作電源とすることが提案されている。

米国特許出願公開第２００８／０２１１６６４号明細書

近年、フィールド機器の小型化に伴い、バッテリを搭載する無線通信モジュールも小型化が要求される。一方で、バッテリ交換が頻繁に必要になるとプラントの操業に影響を与えるため、バッテリにはある程度の電池容量が必要となり、例えば、単一型（Ｄ型）サイズの乾電池を２本用いることになる。このため、バッテリを搭載した場合、無線通信モジュールにおけるバッテリの占める割合がスペース的にも重量的にも大きくなることが想定される。

フィールド機器は、流体物の流量や温度を測定したり、バルブの開閉を制御するために、パイプラインやパイプラインに挿入されたバルブに取り付けられることが多い。一般に、パイプラインは流体物の状況等によって振動し、この振動はフィールド機器に伝わることになる。また、パイプライン以外の振動対象物、例えば、タンク、ポンプ、モータ等に取り付けられる場合等もあり、フィールド機器は種々の要因により振動することが多い。

この振動により、フィールド機器に取り付けられた無線通信モジュールも振動することになるが、無線通信モジュールは、バッテリを搭載しており相対的に重量が重いため、無線通信モジュールの振動がフィールド機器に対して悪影響を及ぼすおそれがある。例えば、フィールド機器の無線通信モジュール取付機構への過負荷や、測定動作への干渉等である。この問題は、無線通信モジュールに限らず、バッテリを搭載し、フィールド機器に取り付けられるフィールド機器用モジュール全般に起こり得る。

そこで、本発明は、バッテリを搭載したフィールド機器用モジュールをフィールド機器に取り付けた場合に、振動がフィールド機器に与える影響を軽減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のフィールド機器用モジュールは、フィールド機器に取り付けるフィールド機器用モジュールであって、本体と蓋とを備え、バッテリを収容したバッテリパックを収容するバッテリパック収容スペースが形成されたケースと、前記バッテリパック収容スペース内で、前記バッテリパックが前記ケースに接触しない状態で前記バッテリパックを保持する複数個の弾性部材とを備え、前記複数個の弾性部材の弾性係数は、前記フィールド機器に関する所定の振動数と、前記バッテリパックの質量とに基づいて定められていることを特徴とする。
ここで、前記バッテリパックの質量と前記複数個の弾性部材の弾性係数に応じた前記バッテリパックの固有振動数が、前記フィールド機器に関する所定の振動数となるように前記複数個の弾性部材の弾性係数を定めることができる。
前記バッテリパックおよび前記バッテリパック収容スペースは、略直方体形状であり、前記複数個の弾性部材は、前記バッテリパックを前後左右上下の６方向全部について内側方向に押し付ける力が働く形状、個数、配置場所とすることができる。
このとき、前記バッテリパック収容スペースは、蓋側に開口した前記本体の窪みと本体側に開口した前記蓋の窪みとにより形成され、前記複数個の弾性部材は、前記開口側から前記バッテリパックを挿入した場合に、前記窪みの底まで前記バッテリパックが入り込むことを防止するための斜面を有する第１弾性部材を含めることができる。
前記第１弾性部材は、前記本体と前記蓋の対向する位置に配置することができる。
また前記複数個の弾性部材は、前記本体の前記バッテリパック収容スペースを形成する面のうち、前記バッテリパックの挿入時に下側となる底面の角部に配置され、前記底面から前記バッテリパックの挿入時に横側となる側面に向けての斜面を有する第２弾性部材を含めることができる。
このとき、前記第２弾性部材の斜面は、前記第２弾性部材と連結されたシートを介して前記バッテリパックと接触することができる。
また、前記バッテリパックは、ラッチ受け用の窪みが形成されており、前記本体は、前記バッテリパックを収容した際に、前記ラッチ受け用の窪みと接触しない状態で嵌るラッチを備えることができる。
また、前記バッテリパックは、前記バッテリパックの振動を阻害しないケーブルを介して電源を供給することができる。

本発明によれば、バッテリを搭載したフィールド機器用モジュールをフィールド機器に取り付けた場合に、振動がフィールド機器に与える影響を軽減することができる。

フィールド機器に取り付けられた本実施形態に係る無線通信モジュールの外観を示す図である。 無線通信モジュールのケース本体とケース蓋とを説明する図である。 バッテリパックを説明する図である。 無線通信モジュールのケース本体とケース蓋とに取り付けられる弾性部材を説明する図である。 弾性部材とシートとを説明する図である。 ケースに収まったバッテリパックを説明する図である。 バッテリパックを保持する力を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、フィールド機器１００に取り付けられた本実施形態に係る無線通信モジュール２００の外観を示す図である。フィールド機器１００は、パイプライン等に取り付けられ、流体物の状況等により想定される振動数で振動する。無線通信モジュール２００はバッテリを内蔵しており、測定信号や制御信号等の各種信号の送受信を行なう。無線通信モジュール２００は、アンテナ２０１と、フィールド機器１００との接続機構２０２を備えているが、以降では図面を含めてアンテナ２０１を省いて説明する。

なお、本発明は、無線通信モジュール２００に限られず、バッテリを内蔵し、フィールド機器１００に取り付けられるフィールド機器用モジュール全般に適用することができる。フィールド機器１００としては、例えば、圧力、温度、流量やガス濃度等を測定する測定機器、バルブやアクチュエータ等の操作機器、警報等を発する音響機器や光学機器、入出力スイッチ等のパイプライン等に取り付けられる機器等が挙げられる。

無線通信モジュール２００は、図２（ａ）に示すように、ケース本体２１０とケース蓋２２０とにより略直方体の筐体が構成されている。ケース本体２１０とケース蓋２２０とは、四隅でねじ２２３により固定される。ここでは、ケース蓋２２０側を正面とし、本図の向きにしたがって前後面、上下面、左右面を定めるものとするが、ケース蓋２２０が上面側になるように配置してもよい。

ねじ２２３を外し、ケース蓋２２０を開くと、図２（ｂ）に示すようにバッテリパック２３０が収容されている。バッテリパック２３０は、略直方体であり、単一型（Ｄ型）サイズの乾電池を２本横に並べて収容している。

バッテリパック２３０は、ケース本体２１０から前面方向に引き抜くことで取り出せるようになっており、取り出す際に２本の指で摘んで引き抜きやすくするための取り出し用窪み２３１が２箇所形成されている。取り出し用窪み２３１は、横に並んだ円筒状の２本の乾電池間の空間を利用したものであり、ハンドルや取手を設けることによってバッテリパック２３０の外形寸法が大きくなることを防いでいる。なお、ケース蓋２２０を上面側に配置した場合は、バッテリパック２３０を上方向に持ち上げることで取り出すことになる。

バッテリパック２３０の前面には、図３（ａ）に示すように、上辺下辺のそれぞれに横面から見た角が切り取られた形状の斜面２３２が設けられている。斜面２３２は４５度程度とすることができる。また、左上の隅を除いた右上、右下、左下の３つの隅は前面から見た角が切り取られた形状の斜面２３３となっている。これらの斜面２３３に対応する斜面がケース本体２１０とケース蓋２２０とに形成されており、斜面２３３は、バッテリパック２３０をケース本体２１０に装着する際の向きを規制する役割も担っている。

バッテリパック２３０の後面にも、図３（ｂ）に示すように、上辺下辺にそれぞれに横面から見た角が切り取られた形状の斜面２３２が設けられている。また、前面に対応して、後方から見た右上の隅を除いた左上、右下、左下の３つの隅は後面から見た角が切り取られた形状の斜面２３３となっている。

バッテリパック２３０からの電源供給は、コネクタ付きケーブル２３６により行なわれる。コネクタ付きケーブル２３６は柔軟性が高く余裕のある長さのケーブルを用いており、先端のコネクタは無線通信モジュール２００内のコネクタ（図示せず）に接続される。

バッテリパック２３０の後面の上辺中央部にはラッチ受けとして機能するラッチ受け用窪み２３５が形成されている。ラッチ２１５（図４参照）はケース本体２１０に取り付けられており、バッテリパック２３０の後面上辺の斜面２３２は、バッテリパック２３０の装着時に、ラッチ２１５が円滑にラッチ受け用窪み２３５に嵌るように、ラッチ受け用窪みに２３５に向けて溝が形成されている。なお、ラッチ受け用窪み２３５は、ラッチ２１５が嵌ったときに、ラッチ２１５と接触しないように、ラッチ２１５よりも十分大きく形成されている。

図４に示すように、無線通信モジュール２００のケース本体２１０には、ケース蓋側に開口した窪みである本体側バッテリパック収容スペース２１１が形成されている。図示してないが、ケース本体２１０の本体側バッテリパック収容スペース２１１の奥側にはコネクタ、無線通信回路、フィールド機器１００との接続機構２０２等が配置されている。また、ケース蓋２２０には、ケース本体側に開口した窪みである蓋側バッテリパック収容スペース２２１が形成されている。

本体側バッテリパック収容スペース２１１および蓋側バッテリパック収容スペース２２１は、略直方体形状で、バッテリパック２３０の外枠よりも大きく形成されており、バッテリパック２３０がケース本体２１０およびケース蓋２２０に触れずに収容できるように、弾性部材が６箇所に取り付けられている。弾性部材は、例えば、ゴム等を用いることができる。また、本体側バッテリパック収容スペース２１１の上辺中央にラッチ２１５が取り付けられている。

バッテリパック２３０をケース本体２１０に挿入する際、ラッチ２１５がバッテリパック２３０の斜面２３２の溝を通り、ラッチ受け用窪み２３５に嵌ることで、バッテリパック２３０が正しく装着されることになる。作業者は、ラッチ２１５がラッチ受け用窪み２３５に嵌る音と感覚で、バッテリパック２３０が正しく装着されたことを確認することができる。ラッチ受け用窪み２３５は、ラッチ２１５よりも大きく形成されているため、バッテリパック２３０が正しく装着された状態で、ラッチ２１５は、ラッチ受け用窪み２３５と接触しない。

弾性部材は、本体側バッテリパック収容スペース２１１については、上辺側に２個の本体側上辺弾性部材２１２が取り付けられ、下辺隅に２個の本体側下辺弾性部材２１３が取り付けられている。また、蓋側バッテリパック収容スペース２２１については、上辺側に２個の蓋側上辺弾性部材２２２が取り付けられている。蓋側上辺弾性部材２２２は、本体側上辺弾性部材２１２に対向する位置に取り付けられている。

本体側上辺弾性部材２１２および蓋側上辺弾性部材２２２には、バッテリパック２３０の前後面上辺の斜面２３２と対応するように、傾斜方向が斜面２３２と同じ方向で、斜面２３２と対面する斜面が形成されている。すなわち、開口側から奥側に斜め下に向かう斜面である。この斜面によりバッテリパック２３０が奥まで入り込んで、ケース本体２１０あるいはケース蓋２２０に接触することを防ぐことができる。

本体側下辺弾性部材２１３には、バッテリパック２３０の右下隅、左下隅の斜面２３３と対応するように、傾斜方向が斜面２３３と同じ方向で、斜面２３３と対面する斜面が形成されている。すなわち、本体側バッテリパック収容スペース２１１の底面から側面に向けての斜面である。この斜面は、バッテリパック２３０の挿入時のガイドとしての機能も有している。

本体側下辺弾性部材２１３は、バッテリパック２３０を出し入れする際に下側となり、バッテリパック２３０を支えることになるが、ゴム等を用いているため摩擦力が高く、直接バッテリパック２３０に接触すると、出し入れする際の円滑性が失われることになる。そこで、本体側下辺弾性部材２１３の斜面は、バッテリパック２３０を滑りやすくするためのシート２１４で覆われている。シート２１４は、樹脂等で形成することができる。

本体側下辺弾性部材２１３とシート２１４との連結は、例えば、図５に示すような構造とすることができる。すなわち、シート２１４に複数の穴を形成し、本体側下辺弾性部材２１３に突起物を形成することで、シート２１４と本体側下辺弾性部材２１３とを連結する。この場合、シート２１４を本体側バッテリパック収容スペース２１１に接着することで、本体側下辺弾性部材２１３もケース本体２１０に取り付けられることになる。

この結果、バッテリパック２３０を挿入したケース本体２１０にケース蓋２２０を固定した状態で、本体側上辺弾性部材２１２および蓋側上辺弾性部材２２２はそれぞれの斜面が、バッテリパック２３０の斜面２３２と直接的に接し、本体側下辺弾性部材２１３は、シート２１４を介して斜面がバッテリパック２３０の斜面２３３と間接的に接することになる。図６は、本体側上辺弾性部材２１２、蓋側上辺弾性部材２２２および本体側下辺弾性部材２１３がバッテリパック２３０を保持している様子を示している。

また、図７（ａ）は、バッテリパック２３０が、本体側上辺弾性部材２１２、蓋側上辺弾性部材２２２および本体側下辺弾性部材２１３から受ける力を正面方向から見た図であり、図７（ｂ）は、側面方向から見た図である。本図では、バッテリパック２３０に収容された乾電池２４０も示している。

図７（ａ）に示すように、バッテリパック２３０は、正面方向については、本体側上辺弾性部材２１２、蓋側上辺弾性部材２２２により下方向に押され、本体側下辺弾性部材２１３により中心に向かって斜め上方向に押されることになる。中心に向かって斜め上方向の力は、内側に向かった上方向と左右方向の力に分解することができる。また、図７（ｂ）に示すように、側面方向については、本体側上辺弾性部材２１２、蓋側上辺弾性部材２２２により中心に向かって斜め下方向に押され、本体側下辺弾性部材２１３により上方向に押されることになる。中心に向かって斜め下方向の力は、内側に向かった下方向と前後方向の力に分解することができる。

このように、各弾性部材２１２、２２２、２１３により、バッテリパック２３０には、前後左右上下の６方向全部について内側方向に押される力が働くことになり、バッテリパック２３０は、あらゆる方向にバランス良く弾性的に保持されることになる。なお、バッテリパック２３０を前後左右上下の６方向全部について内側方向に押さえる力が働けば足り、弾性部材の形状、個数、配置場所は、本実施形態に示した本体側上辺弾性部材２１２、蓋側上辺弾性部材２２２、本体側下辺弾性部材２１３に限られない。

ここで、バッテリパック２３０は、各弾性部材２１２、２２２、２１３と直接的あるいは間接的に接する以外は、ラッチ２１５、ケース本体２１０、２２０蓋をはじめ他の部材とは接触しないようにしている。また、コネクタ付きケーブル２３６は柔軟性が高く余裕のある長さのケーブルを用いている。

これにより、バッテリパック２３０は、フィールド機器１００に対して振動可能となり、バッテリパック２３０の質量と各弾性部材２１２、２２２、２１３により定められる弾性係数とに応じた固有振動数と、各弾性部材２１２、２２２、２１３による減衰性能とを有することになる。このとき、コネクタケーブル２３６は、柔軟性が高く余裕のある長さのケーブルを用いているため、バッテリパック２３０の振動を阻害しないようになっている。

本実施形態では、この固有振動数がフィールド機器１００に与えられると想定される振動の振動数となるように弾性部材２１２、２２２、２１３の弾性係数を設定する。一般に、動吸振器（ダイナミックダンパー）の設計に用いられる定点理論等が知られているが、本実施形態では、例えば、フィールド機器１００の固有振動数に応じて各弾性部材２１２、２２２、２１３の弾性係数を設定することができる。また、バッテリパック２３０の質量とフィールド機器の固有振動数に応じて減衰係数を設定することができる。これらの値は理論的に設定してもよいし、実験的に設定してもよい。

すなわち、本実施形態では、従来から広く行なわれているような防振材によってバッテリパック２３０をなるべく振動させないという制御ではなく、振動に対して積極的にバッテリパック２３０を共振させ、バッテリパック２３０を動的吸振器（ダイナミックダンパー）として利用するようにしている。

これにより、フィールド機器１００が想定される外的な要因等で振動しても、その振動数でバッテリパック２３０が共振し、動的吸振器（ダイナミックダンパー）として機能することになる。すなわち、フィールド機器１００の振動とバッテリパック２３０の固有振動数による振動とが異なる位相になって、両者の振動が打ち消しあうことで、フィールド機器１００の振動が抑制され、振動がフィールド機器１００に与える影響が軽減される。

１００…フィールド機器、２００…無線通信モジュール、２１０…ケース本体、２１１…本体側バッテリパック収容スペース、２１２…本体側上辺弾性部材、２１３…本体側下辺弾性部材、２１４…シート、２１５…ラッチ、２２０…ケース蓋、２２１…蓋側バッテリパック収容スペース、２２２…蓋側上辺弾性部材、２３０…バッテリパック、２３１…取り出し用窪み、２３２…斜面、２３３…斜面、２３５…ラッチ受け用窪み、２３６…コネクタ付きケーブル

Claims (6)

1. フィールド機器に取り付けるフィールド機器用モジュールであって、
   本体と蓋とを備え、バッテリを収容したバッテリパックを収容するバッテリパック収容スペースが形成されたケースと、
   前記バッテリパック収容スペース内で、前記バッテリパックが前記ケースに接触しない状態で前記バッテリパックを保持する複数個の弾性部材とを備え、
   前記複数個の弾性部材の弾性係数は、前記フィールド機器に関する所定の振動数と、前記バッテリパックの質量とに基づいて定められ、
   前記バッテリパックおよび前記バッテリパック収容スペースは、略直方体形状であり、 前記バッテリパック収容スペースは、蓋側に開口した前記本体の窪みと本体側に開口した前記蓋の窪みとにより形成され、
   前記複数個の弾性部材は、前記バッテリパックを前後左右上下の６方向全部について内側方向に押し付ける力が働く形状、個数、配置場所であり、前記開口側から前記バッテリパックを挿入した場合に、前記窪みの底まで前記バッテリパックが入り込むことを防止するための斜面を有する第１弾性部材を含み、
   前記バッテリパックの質量と前記複数個の弾性部材の弾性係数に応じた前記バッテリパックの固有振動数が、前記フィールド機器に関する所定の振動数となるように前記複数個の弾性部材の弾性係数が定められていることを特徴とするフィールド機器用モジュール。
2. 前記第１弾性部材は、前記本体と前記蓋の対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器用モジュール。
3. フィールド機器に取り付けるフィールド機器用モジュールであって、
   本体と蓋とを備え、バッテリを収容したバッテリパックを収容するバッテリパック収容スペースが形成されたケースと、
   前記バッテリパック収容スペース内で、前記バッテリパックが前記ケースに接触しない状態で前記バッテリパックを保持する複数個の弾性部材とを備え、
   前記複数個の弾性部材の弾性係数は、前記フィールド機器に関する所定の振動数と、前記バッテリパックの質量とに基づいて定められ、
   前記バッテリパックおよび前記バッテリパック収容スペースは、略直方体形状であり、 前記複数個の弾性部材は、前記バッテリパックを前後左右上下の６方向全部について内側方向に押し付ける力が働く形状、個数、配置場所であり、前記本体の前記バッテリパック収容スペースを形成する面のうち、前記バッテリパックの挿入時に下側となる底面の角部に配置され、前記底面から前記バッテリパックの挿入時に横側となる側面に向けての斜面を有する第２弾性部材を含み、
   前記バッテリパックの質量と前記複数個の弾性部材の弾性係数に応じた前記バッテリパックの固有振動数が、前記フィールド機器に関する所定の振動数となるように前記複数個の弾性部材の弾性係数が定められていることを特徴とするフィールド機器用モジュール。
4. 前記第２弾性部材の斜面は、前記第２弾性部材と連結されたシートを介して前記バッテリパックと接触することを特徴とする請求項３に記載のフィールド機器用モジュール。
5. 前記バッテリパックは、ラッチ受け用の窪みが形成されており、
   前記本体は、前記バッテリパックを収容した際に、前記ラッチ受け用の窪みと接触しない状態で嵌るラッチを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィールド機器用モジュール。
6. 前記バッテリパックは、前記バッテリパックの振動を阻害しないケーブルを介して電源を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィールド機器用モジュール。